摘 要

磁通门磁强计是一类精度很高的传感器，其工作范围宽，稳定性好。传统磁通门驱动电路多采用模拟元器件，性能易受温度影响，移植性差，而现代数字磁通门系统可以有效克服这些缺点。

本文设计了一个单轴数字磁通门驱动电路，整个系统分为模拟电路和数字电路两部分，模拟电路由磁通门探头、信号放大器、AD转换器和电源等电路模块构成；数字电路部分的工作由FPGA完成，主要包括激励信号单元、ADC控制单元和数据运算单元。

磁通门传感器输出的信号中二次谐波可以用来估算环境磁场强度。为了增强系统测量磁场的分辨率，改善模数转换过程中的信噪比，设计采用了过采样技术。为了快速提取出二次谐波，设计采用快速傅里叶变换（FFT）的方法，先将数字信号映射到频谱上，再进行提取和计算工作。

为了验证方法可行性，将磁通门探头置于均匀磁场中对其信号进行采集，在Matlab中分析结果，并在ISE开发平台上用Verilog HDL语言编程和时序仿真，仿真的结果表明传感器线性度较好。

关键词：磁通门传感器；ADC；FPGA；FFT

Abstract

Fluxgate magnetometer is a kind of sensor with high accuracy, wide scope of its work, good stability. The traditional magnetic flux gate drive circuit uses analog components, and the performance is easy to be affected by temperature,and modern digital magnetic flux gate system can overcome these shortcomings effectively.

In this paper, the design of a driving circuit based on FPGA single axis digital fluxgate, the whole system divided into two parts: the analog circuit and digital circuit, analog part includes a flux gate sensor, a signal amplifier, a AD converter and a power circuit module. Digital circuit part of the work completed by the FPGA, mainly including the excitation signal unit, ADC control unit and data computing unit.

The two harmonics of the induction signal output by the magnetic flux gate sensor can be used to estimate the strength of the environmental magnetic field. In order to enhance the resolution of measuring magnetic field and to improve the signal to noise ratio in the analog to digital conversion, the over sampling technique is adopted in the system. In order to quickly extract the two harmonic, a fast Fourier transform (FFT) method is designed to map the digital signal to the spectrum, and then the extraction and calculation are carried out.

In order to verify the feasibility of the method, the magnetic flux gate sensor is placed in a uniform magnetic field to collect the signal, the results are analyzed in Matlab, and the Verilog HDL language programming and timing simulation are used in the ISE development platform. The simulation results show that the linearity of the sensor is better.

Key Words：fluxgate sensor；ADC；FPGA；FFT

目 录

第1章 绪论 1

1.1 磁通门传感器的应用优势 1

1.2 磁通门驱动电路的研究现状 1

1.3 论文的主要内容和结构 2

第2章 数字磁通门驱动电路的系统组成 4

2.1 系统方案 4

2.2 各模块设计 5

2.2.1 磁通门传感器探头 5

2.2.2 激磁电路 7

2.2.3 前置放大电路 7

2.2.4 AD转换器 8

2.2.5 FPGA开发板 9

2.2.6 电源模块 9

2.3 本章小结 10

第3章 AD转换器的驱动程序设计 12

3.1 AD转换器的控制原理 12

3.1.1 过采样原理 12

3.1.2 AD976控制原理 13

3.2 FPGA驱动程序设计 15

3.3 本章小结 16

第4章 二次谐波检测法的软件设计 18

4.1 设计思路 18

4.2 FFT检测算法 18

4.3 FPGA软件设计 19

4.4 本章小结 22

第5章 测试结果与分析 23

5.1 各模块仿真 23

5.1.1 AD驱动仿真 23

5.1.2 FFT仿真 23

5.2 方案验证 24

5.2.1 测试装置 24

5.2.2 测试结果分析 25

5.2.3 实物图 27

5.3 本章小结 28

第6章 总结与展望 29

参考文献 31

附录A 32

致 谢 38

第1章 绪论

本章介绍了磁传感器的发展，比较了各类磁传感器的测量范围和应用领域，介绍了模拟和数字磁通门驱动电路的研究现状和优缺点，以及本论文的设计内容和文章结构。

1.1 磁通门传感器的应用优势

磁场测量是研究与磁有关的物理现象过程中的一种重要手段，早在我国宋代名著《梦溪笔谈》中就有地磁偏角的记载。三千多年前，我国发明的指南针是有记载的世界最早的地磁测量仪^[1]。1831年法拉第提出了电磁感应定律，为地磁测量的发展做出了不可磨灭的贡献。

磁传感器是一类将磁场强度转化为电信号的装置，在20世纪初期，随着越来越多物理定律被提出，磁场测量技术不断发展，如1946年核磁共振现象的发现。70~80年代磁传感器发展迅速，在90年代发展达到鼎盛时期。磁传感器种类繁多，测量范围小到10^-14T的人体弱磁场，大到25T以上的强磁场。根据测量原理的不同，磁传感器可以分为霍尔效应器件、半导体磁敏电阻、磁敏二极管、磁致伸缩传感器、磁通门磁强计等，除了磁通门以外，它们的测量范围均在10^-7到10T不等，常用于位置、速度、电流、电压传感工作。而磁通门磁强计是一类精度很高的传感器，其工作范围宽，在10^-11~10^-2T之间，精度可达10^-11~10^-9T，所以常用来进行微弱磁场的的测量。此外，磁通门综合性能也很高，它结构简单、稳定性高，在航空航天、地质探测、医学治疗等领域有重要的应用价值^[3]。